Повністю автоматичний вимірювач діаметра сферичної форми – це оптичний контрольний пристрій, який використовується для високо-точного вимірювання радіуса кривизни, фокусної відстані та похибки сферичності сферичних поверхонь (опуклих/увігнутих поверхонь). Його основний принцип зосереджений навколо двох основних модулів: «відображення оптичних параметрів» і «автоматизоване точне керування», які можна конкретно розбити на три ключові ланки:
1. Основний принцип оптичного виявлення: зворотне визначення параметрів на основі геометричної оптики та інтерференційних ефектів
Суть полягає в побудові «відомого оптичного шляху» через оптичну систему, використовуючи характеристики відбиття/заломлення виміряної сферичної поверхні для перетворення «сферичних геометричних параметрів (таких як радіус кривизни)» у «вимірні оптичні сигнали (такі як положення плями, інтерференційні смуги)», а потім визначення цільових параметрів за допомогою математичної моделі. Основні технічні шляхи поділяються на дві категорії:
Метод автоколімації (підходить для швидкого вимірювання середньої та низької точності)
Конструкція оптичного шляху: паралельне світло, випромінюване колімуючим джерелом світла (наприклад, He-Ne лазером), відбивається розсіювачем променя, а потім падає перпендикулярно на сферичну поверхню, що підлягає вимірюванню.
Генерація сигналу: якщо паралельне світло падає на опуклу сферичну поверхню, відбите світло збиратиметься в «центрі кривизни» поверхні. При падінні на увігнуту сферичну поверхню відбите світло розходиться, утворюючи віртуальний фокус (еквівалентно випромінюванню з центру кривизни).
Обчислення параметрів Пристрій фіксує положення точки фокусування відбитого світла за допомогою високо-прецизійного датчика зображення CCD. Поєднуючи різницю відстані між «площиною відліку (наприклад, фокальною площиною колімаційної лінзи, вбудованої в інструмент)» і «точкою фокусування» та підставляючи її у формулу R=2×(L - f₀) (де R — радіус кривизни, L — виміряна відстань, а f₀ — фокусна відстань колімаційної лінзи), радіус кривизни прямо випливає.
Інтерферометрія (придатна для високо-точного виявлення з точністю ±0,1 мкм)
Конструкція оптичного шляху: інтерференційний оптичний шлях Майкельсона використовується для поділу колімованого джерела світла на два промені - один промінь падає на «справжнє плоске дзеркало» (стандартна площина), а інший промінь падає на «виміряну сферичну поверхню». Після рекомбінації двох відбитих світлових променів утворюються «інтерференційні смуги однакової-товщини» через оптичну різницю шляху.
Аналіз сигналу: зміни у кривизні сферичної поверхні призведуть до змін у «формі (наприклад, круглій або еліптичній)» і «відстанях» інтерференційних смуг - якщо кривизна сферичної поверхні рівномірна, смуги будуть концентричними колами. Якщо є помилка сферичності (наприклад, локальні виступи/заглибини), смуги змістяться або деформуються.
Розрахунок параметрів Програмне забезпечення автоматично визначає центральне положення інтерференційних смуг і відстань між смугами. У поєднанні з довжиною хвилі (наприклад, довжина хвилі лазера 632,8 нм) різниця оптичного шляху виходить через «різницю порядку смуг», а потім перетворюється на радіус кривизни та сферичну похибку. Суть виведення формули базується на оптичній різниці шляху=2×Δh=k×λ (Δh – різниця висот між сферичною поверхнею та поверхнею відліку). k представляє порядок смуг, а λ представляє довжину хвилі джерела світла.
2. Модуль автоматизації: усунення ручних помилок і досягнення точного контролю протягом усього процесу
На відміну від обмежень ручних вимірювачів діаметра кульки, які покладаються на ручне фокусування та зчитування, повністю автоматичні вимірювачі діаметра кульки забезпечують компенсацію похибок і автоматизацію процесу за допомогою «мехатронного керування». Основні технології включають три пункти:
Автоматичне вирівнювання та фокусування
Оснащений «точними електричними направляючими» (точність повторного позиціонування менше або дорівнює 0,05 мкм) і «лазерними датчиками переміщення», він може автоматично регулювати відносне положення між виміряною сферичною поверхнею та оптичною системою, щоб переконатися, що падаюче світло перпендикулярне до вершини сферичної поверхні (уникаючи помилок вимірювання, спричинених відхиленнями кута падіння).
Система авто-фокусування збирає чіткість світлової плями в режимі реального часу за допомогою ПЗЗ-матриці та автоматично регулює фокусну відстань об’єктива на основі «алгоритму різкості по краях», щоб точка фокусування відбитого світла знаходилася на оптимальній поверхні зображення датчика. Точність фокусування може досягати ±0,01 мкм.
Автоматичний збір і аналіз даних
Зчитування вручну не потрібне: датчик CCD збирає оптичні сигнали на заданій частоті (наприклад, 10 кадрів на секунду), а програмне забезпечення автоматично фільтрує шум (наприклад, перешкоди навколишнього освітлення) і виділяє ефективні сигнали (наприклад, профілі смуг перешкод, координати точки фокусування).
Розрахунок і калібрування-в реальному-часі: вбудована-база даних стандартних куль (наприклад, кварцові стандартні кульки з відомим радіусом кривизни), автоматично викликає стандартні кульки для «калібрування систематичної помилки» (компенсація таких помилок, як зазор напрямних рейок і зміщення оптичного шляху) перед вимірюванням і вводить параметри калібрування під час вимірювання для забезпечення точності даних.
Кілька-зв’язаний вихід параметрів
Одне вимірювання може одночасно виводити такі параметри, як «радіус кривизни (R), фокусна відстань (f, на основі формули f=R/(n-1), де n — показник заломлення матеріалу), похибка сферичності та товщина вершини», без необхідності багаторазово перемикати режими вимірювання.
Підтримує автоматичний експорт даних (наприклад, у форматах Excel і CAD) і генерує "звіти про аналіз помилок" (наприклад, візерунки інтерференційних смуг і криві розподілу кривизни), що відповідає вимогам відстеження якості виробництва оптичних компонентів.
3. Основний принцип переваги: чому перевага перед ручним обладнанням?
Його переваги в точності та ефективності випливають із «контролю помилок на принциповому рівні»:
Уникайте помилок ручного фокусування: ручні пристрої покладаються на людське око для визначення точки фокусування з похибкою до ±5 мкм, тоді як повністю автоматичні пристрої точно позиціонують за допомогою алгоритмів, зменшуючи похибку до ±0,01 мкм.
Усуньте вплив навколишнього середовища: вбудований-модуль постійної температури (точність контролю температури ±0,1) компенсує теплове розширення та звуження матеріалів, а закрита конструкція автоматизованого оптичного тракту зменшує вплив потоку повітря та вібрації на оптичний шлях.
Покращення повторюваності: похибка повторюваності ручних вимірювань зазвичай перевищує 0,5%, тоді як повністю автоматичне обладнання за допомогою стандартизованих процесів може контролювати похибку повторюваності в межах менше 0,05%.
